專利名稱：一種高強度原位鋁基復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料，特別提供了一種高強度原位生長陶瓷粒子增強鋁基復合材料。
近年來，為改善陶瓷增強相和鋁基體之間的界面相容性或避免嚴重的界面反應，原位生長陶瓷相增強鋁基復合材料得到廣泛關注。然而采用目前通常使用的反應體系(鋁-鈦-碳，鋁-鈦-硼)生產的原位鋁基復合材料通常都含有一定數量的脆性金屬間化合物Al3Ti(Scripta Metall.Mater.，vol.24，No.5(1990)，873-878和Mater.Sci.Eng.，vol.A131，No.(1991)，69-76)。這主要是由于所使用的鈦粉末比較粗大，表面活性差，這樣受元素擴散等動力學因素的影響，鈦和硼之間的反應難于進行徹底，由于鋁在基體中是大量存在的，這樣鋁和鈦之間的反應很難避免。脆性金屬間化合物Al3Ti對復合材料的強度、塑性和韌性會產生極其不利的影響。
本發明的目的在于提供一種高強度原位鋁基復合材料及其制備方法，其具有高的強度和良好的塑性、韌性，可用于各種要求高強度、高模量的場合。
本發明提供了一種高強度原位鋁基復合材料，其特征在于該復合材料由原位形成的三氧化二鋁、二硼化鈦彌散粒子和鋁基體組成，彌散粒子的尺寸為0.01-5.0微米，原位增強相的體積總含量在0.05-0.50，其中三氧化二鋁和二硼化鈦的摩爾比是2∶(3±0.15)。
本發明還提供了上述高強度原位鋁基復合材料的制備方法，其特征在于過程如下
采用物理機械方法使10-150μm的鋁或鋁合金、0.5-5μm的二氧化鈦和0.5-6μm的硼粉末均勻混合，鋁或鋁合金、二氧化鈦和硼的重量比為78.8∶3.7∶1到5.8∶3.7∶1；混合粉末冷壓實后在10-3托真空條件下逐步加熱除氣；在560-600℃熱壓至75-85％理論密度；然后升溫至780-860℃真空燒結0.2-1小時；隨后降溫至560-620℃在50-150MPa壓力下加壓密化；熱壓錠在400-480℃以5∶1-50∶1擠壓比擠壓成型。
測試表明所獲得的原位三氧化二鋁和二硼化鈦彌散粒子增強鋁基復合材料具有良好的機械性能。
本發明設計了一個全新的反應體系，鋁-二氧化鈦-硼。在該體系中，鋁和二氧化鈦首先發生鋁熱反應，生成三氧化二鋁并置換出鈦，鈦進一步與硼反應生成二硼化鈦。由于在體系中二氧化鈦粒子尺寸極其細小并呈非常均勻的分布，并且置換出的鈦具有很高的活性，這樣鈦和硼之間的反應可以充分進行。當二氧化鈦和硼的重量比為3.7∶1(摩爾比為1∶2)時，不僅脆性金屬間化合物Al3Ti的形成被抑制，而且原位生成的三氧化二鋁和二硼化鈦粒子尺寸非常細小。同文獻(Int.J.Powder，vol.27，No.3(1991)，227-235和Scripta Metall.Mater.，vol.29，No.2(1993)，225-22)提供的數據相比可以發現，在相同的增強相體積分數(20vol.％)條件下，原位三氧化二鋁和二硼化鈦彌散粒子復合增強鋁復合材料的抗拉強度(353MPa)遠遠高于粉末法制備的碳化硅顆粒增強鋁(200MPa)和碳化硅晶須增強鋁(278MPa)。通過以上比較說明原位三氧化二鋁和二硼化鈦彌散粒子顯著提高了鋁基體的強度。有理由相信原位三氧化二鋁和二硼化鈦彌散粒子增強鋁作為一種新型高強度復合材料會有著廣闊的應用前景。
下面通過實施例詳述本發明。
實施例110.5vol.％三氧化二鋁和9.5vol.％二硼化鈦彌散強化鋁復合材料制造工藝將重量比為17.9∶3.7∶1的鋁、二氧化鈦和硼粉末用高能球磨方法混合均勻，冷壓實后在10-3托真空條件下逐步加熱除氣，在600℃熱壓至80％理論密度，然后升溫至830℃燒結0.3小時，隨后降溫至600℃在100MPa壓力下加壓密化，熱壓錠在420℃以20∶1擠壓比擠壓成型。所得材料的室溫拉伸強度為353MPa，相對于未增強鋁提高了243％，在300℃的拉伸強度是163MPa，室溫彈性模量100GPa。
比較例1在鋁-二氧化鈦-硼體系中固定二氧化鈦的加入量，減少硼的加入量，使二氧化鈦和硼粉末的重量比為5.5∶1(摩爾比為3∶4)，在相同的制備工藝條件下，所制備復合材料除含有10.5vol.％三氧化二鋁和6.3vol.％二硼化鈦外，還含有7.9vol.％的Al3Ti，該復合材料的室溫拉伸強度為311MPa。
比較例2在鋁-二氧化鈦-硼體系中固定二氧化鈦的加入量，減少硼的加入量到零，在相同的制備工藝條件下，所制備復合材料除含有10.5vol.％三氧化二鋁外，還含有23.7vol.％的Al3Ti，該復合材料的室溫拉伸強度為145MPa。
實施例25.3vol.％三氧化二鋁和4.7vol.％二硼化鈦彌散強化鋁復合材料制造工藝將重量比為38.2∶3.7∶1的鋁、二氧化鈦和硼粉末用高能球磨方法混合均勻，冷壓實后在10-3托真空條件下逐步加熱除氣，在590℃熱壓至78％理論密度，然后升溫至850℃燒結0.2小時，隨后降溫至590℃在120MPa壓力下加壓密化，熱壓錠在400℃以22∶1擠壓比擠壓成型。所得材料的室溫拉伸強度為190MPa，相對于未增強鋁提高了84％。
實施例310.5vol.％三氧化二鋁和9.5vol.％二硼化鈦彌散強化Al-4Cu合金基復合材料制造工藝將重量比為18.5∶3.7∶1的Al-4Cu、二氧化鈦和硼粉末用高能球磨方法混合均勻，冷壓實后在10-3托真空條件下逐步加熱除氣，在580℃熱壓至75％理論密度，然后升溫至840℃燒結0.15小時，隨后降溫至570℃在150MPa壓力下加壓密化，熱壓錠在450℃以25∶1擠壓比擠壓成型。所得材料的室溫拉伸強度為482MPa，相對于未增強Al-4Cu提高了120％，室溫彈性模量105GPa。
權利要求
1.一種高強度原位鋁基復合材料，其特征在于該復合材料由原位形成的三氧化二鋁、二硼化鈦彌散粒子和鋁基體組成，彌散粒子的尺寸為0.01-5.0微米，原位增強相的體積總含量在0.05-0.50，其中三氧化二鋁和二硼化鈦的摩爾比是2∶(3±0.15)。
2.一種權利要求1所述高強度原位鋁基復合材料的制備方法，其特征在于過程如下采用物理機械方法使10-150μm的鋁或鋁合金、0.5-5μm的二氧化鈦和0.5-6μm的硼粉末均勻混合，鋁或鋁合金、二氧化鈦和硼的重量比為78.8∶3.7∶1到5.8∶3.7∶1；混合粉末冷壓實后在10-3托真空條件下逐步加熱除氣；在560-600℃熱壓至75-85％理論密度；然后升溫至780-860℃真空燒結0.2-1小時；隨后降溫至560-620℃在50-150MPa壓力下加壓密化；熱壓錠在400-480℃以5∶1-50∶1擠壓比擠壓成型。
全文摘要
一種高強度原位鋁基復合材料,其特征在于:該復合材料由原位形成的三氧化二鋁、二硼化鈦彌散粒子和鋁基體組成,彌散粒子的體積含量在0.05－0.50,尺寸為0.01－5.0微米。其制備方法是使用鋁、二氧化鈦和硼粉末在780－860℃真空燒結0.2－1小時,隨后降溫至560－620℃在50－150MPa壓力下加壓密化,最后擠壓成型。本發明提供的復合材料具有高的強度和良好的塑性、韌性,可用于各種要求高強度、高模量的場合。
文檔編號C22C21/00GK1376805SQ0110634
公開日2002年10月30日 申請日期2001年3月23日 優先權日2001年3月23日
發明者馬宗義, 畢敬 申請人:中國科學院金屬研究所